JAMES WEBB
Strahlungsausbruch vom Schwarzen Loch der Milchstraße im mittleren Infrarot
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Radioastronomie
astronews.com
15. Januar 2025

Mit dem MIRI-Instrument an Bord des James-Webb-Weltraumteleskops gelang es nun erstmals, einen Strahlungsausbruch des supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum der Milchstraße im mittleren Infrarotbereich nachzuweisen. Bei gleichzeitigen Radiobeobachtungen fand das Team ein zeitlich verzögertes Gegenstück des Ausbruchs im Radiobereich.

Künstlerische Darstellung des Strahlungsausbruchs in Sgr A* bei Mid-IR-Wellenlängen. Bild: CfA / Mel Weiss  [weitere Bilder]

Wissenschaftler beobachten Sagittarius A* (abgekürzt Sgr A*) - das supermassereiches Schwarzes Loch im Zentrum der Milchstraße, das etwa vier Millionen Mal mehr Masse hat als die Sonne - seit den frühen 1990er Jahren. Sgr A* zeigt regelmäßig Strahlungsausbrüche (Flares), die in verschiedenen Wellenlängen beobachtet werden können, so dass die Wissenschaftler verschiedene Ansichten desselben Ausbruchs sehen und besser verstehen können, wie es Strahlung aussendet und wie diese Emission erzeugt wird. Trotz einer langen Reihe erfolgreicher Beobachtungen und sogar einer Aufnahme des kosmischen Ungetüms durch das Event Horizon Telescope im Jahr 2022 fehlte bisher ein entscheidendes Teil des Puzzles - Beobachtungen im mittleren Infrarot (Mid-IR). Doch dies hat sich nun mithilfe von James Webb geändert. 

Infrarotlicht (IR) ist eine Art von elektromagnetischer Strahlung, die längere Wellenlängen als sichtbares Licht hat, aber kürzere Wellenlängen als die Radiostrahlung. Das mittlere Infrarot liegt in der Mitte des Infrarotspektrums und ermöglicht den Astronomen die Beobachtung von Objekten, die in anderen Wellenlängenbereichen aufgrund von undurchdringlichem Staub oft nur schwer zu beobachten sind. Bis zur gegenwärtigen Studie hatte noch kein Team die Variabilität von Sgr A* im Mid-IR erfolgreich nachgewiesen, was eine Lücke im Verständnis der Wissenschaftler über die Ursachen der Flares hinterlässt und die Frage aufwirft, ob die theoretischen Modelle vollständig sind.

"Der Ausbruch von Sgr A* entwickelt und verändert sich schnell, innerhalb weniger Stunden, und nicht alle diese Veränderungen können bei jeder Wellenlänge gesehen werden", erklärt Joseph Michail vom Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian. "Seit über 20 Jahren wissen wir, was im Radiobereich und was im nahen Infrarot passiert, aber die Verbindung zwischen beiden war nie hundertprozentig klar oder sicher. Diese neue Beobachtung im mittleren Infrarot füllt diese Lücke und verbindet die beiden Bereiche." Die Forschenden sind sich nicht vollständig sicher, was die Ursachen für die Ausbrüche sind. Daher stützen sie sich auf Modelle und Simulationen, die sie mit Beobachtungen vergleichen, um zu verstehen, woher sie kommen.

Viele Simulationen deuten darauf hin, dass die Flares in Sgr A* durch die Bündelung von Magnetfeldlinien in der turbulenten Akkretionsscheibe des supermassereichen Schwarzen Lochs verursacht werden. Wenn sich zwei Magnetfeldlinien einander nähern, können sie sich miteinander verknüpfen und dadurch eine große Menge ihrer Energie freisetzen. Das Nebenprodukt dieser magnetischen Verknüpfung - Synchrotronemission - tritt auf, wenn sich energiereiche Elektronen mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit entlang der Magnetfeldlinien des supermassereichen Schwarzen Lochs bewegen. Sie emittieren hochenergetische Strahlungsphotonen, die den Strahlungsausbruch antreiben. Da der mittlere Infrarot-Spektralbereich zwischen dem Submillimeterbereich und dem nahen Infrarot (NIR) liegt, bleiben Fragen zu der Rolle der Elektronen, die abkühlen müssen, um Energie für die Flares freizusetzen.

Die neuen Beobachtungen stimmen mit bereits bestehenden Modellen und Simulationen überein und liefern einen weiteren starken Beweis für die Theorie, was hinter den Ausbrüchen steckt. "Unsere Untersuchungen deuten darauf hin, dass es einen Zusammenhang zwischen der beobachteten Variabilität bei Millimeter-Wellenlängen und der beobachteten Emission der Strahlungsausbrüche im mittleren Infrarotbereich geben könnte", sagt Sebastiano von Fellenberg vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie. Die Ergebnisse würden zudem unterstreichen, wie wichtig es ist, Multi-Wellenlängen-Untersuchungen nicht nur von Sgr A*, sondern auch von anderen supermassereichen Schwarzen Löchern wie M87* durchzuführen, um ein klares Bild davon zu bekommen, was wirklich innerhalb und außerhalb der zentralen Scheiben von Gas und Staub (Akkretionsscheiben) geschieht.

"Unsere Beobachtungen deuten darauf hin, dass die Emission von Sgr A* im mittleren Infrarot tatsächlich von der Synchrotronemission kühlender Elektronen herrührt, aber wir müssen noch mehr über die magnetische Verknüpfung und die Turbulenzen in der Akkretionsscheibe von Sgr A* verstehen", sagt von Fellenberg. "Dieser allererste Nachweis im mittleren Infrarot und die mit dem Submillimeter Array beobachtete Variabilität haben nicht nur eine Lücke in unserem Verständnis der Ursache des Ausbruchs in Sgr A* geschlossen, sondern auch eine neue, wichtige Forschungsrichtung eröffnet."

Gleichzeitige Beobachtungen mit dem Submillimeter-Array (SMA), dem Nuclear Spectroscopic Telescope Array und dem Chandra-Röntgenobservatorium lieferten einen weiteren Teil der Informationen. Bei den Röntgenbeobachtungen wurde kein Flare entdeckt, was wahrscheinlich darauf zurückzuführen ist, dass dieser spezielle Flare die Elektronen nicht auf so hohe Energien beschleunigt, wie es bei anderen Strahlungsausbrüchen der Fall ist. Das Team war jedoch erfolgreich bei Beobachtungen mit dem Submillimeter-Array, mit denen ein Millimeterwellen-Flare entdeckte wurde, der zeitlich etwa zehn Minuten hinter dem Ausbruch im Mid-IR-Bereich lag.

"Wir erstellen ein immer detaillierteres Bild der Prozesse, die in der unmittelbaren Umgebung eines supermassereichen Schwarzen Lochs ablaufen. Die Qualität unserer Daten im mittleren Infrarot ist ein weiterer Beweis für die enormen technischen Möglichkeiten des James Webb Space Telescope", schließt Gunther Witzel, wissenschaftlicher Mitarbeiter am MPIfR und Ko-autor der Veröffentlichung.

Über die Beobachtungen berichtet das Team in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Astrophysical Journal Letters erschienen ist.